論文の概要: TO-SoFiT: Topology Optimization of Hydraulic Soft Fish Tail Design for programmable undulating locomotion
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.15645v1
- Date: Sun, 14 Jun 2026 07:22:00 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-06-16 16:21:33.7766
- Title: TO-SoFiT: Topology Optimization of Hydraulic Soft Fish Tail Design for programmable undulating locomotion
- Title（参考訳）: TO-SoFiT:プログラマブル・アンデュレーション・ロコモーションのための油圧ソフトフィッシュテール設計のトポロジー最適化
- Abstract要約: 本研究は, 油圧魚尾の設計を自動化するトポロジー最適化手法を提案する。
頑健な多基準最適化の定式化は、変形効率、流体-構造相互作用、幾何学的製造性、必要な硬さのバランスをとる。
最適化された尾部セグメントをカスケードすることにより、異なる油圧荷重のソフトロボット魚の尾部におけるプログラム可能な水泳パターンを実証する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.3949993602447335
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Soft robots leverage compliant materials to generate motion through controlled elastic deformation, making them ideal for delicate tasks such as underwater exploration and biomimetic marine systems. Although hydraulic/pneumatic actuation remains pivotal for such systems, the lack of systematic design frameworks has hindered the development of robots capable of complex 3D motion, such as fish-like swimming. This work introduces a topology optimization method to automate the design of a hydraulic soft fish tail, explicitly addressing the design-dependent coupling between fluidic actuation and structural deformation. We use a Darcy law-based model augmented with a drainage term to simulate spatially varying hydraulic pressure loads, translating these into consistent nodal forces via finite element analysis. The employed robust multi-criteria optimization formulation balances deformation efficiency, fluid-structure interaction, geometric manufacturability, and required stiffness for optimizing a bioinspired soft fish tail for 3D swimming kinematics. The optimized tail topology is incorporated into a pneumatic network actuator and computationally validated under various hydraulic loads, achieving tunable undulatory amplitudes and multiaxis bending for depth adjustment. The optimized 2D tail outperforms its rectangular counterpart. By cascading optimized tail segments, we demonstrate programmable swimming patterns in soft robotic fish tails at different hydraulic loads. This work advances the systematic codesign of hydraulic actuators and soft structures, offering a pathway to automate underwater robots with optimized design and vertebrate-like agility in confined aquatic environments. Our implementations and simulations are publicly available at 'https://github.com/PrabhatIn/TO-SoFiT'.
- Abstract（参考訳）: ソフトロボットは、適合した素材を活用して、制御された弾性変形によって動きを発生させ、水中探査や生物模倣海洋システムといった繊細な作業に最適である。
このようなシステムでは油圧・空気圧の作動は依然として重要な役割を担っているが、体系的な設計枠組みの欠如により、魚のような水泳のような複雑な3D動作が可能なロボットの開発が妨げられている。
本研究は, 油圧魚尾の設計を自動化するトポロジー最適化手法を導入し, 流体アクチュエータと構造変形との間の設計依存的な結合を明示的に解決する。
本研究では,Darcy法に基づくモデルを用いて,空間的に変化する圧力負荷をシミュレーションし,有限要素解析により一貫した結節力に変換する。
頑健な多条件最適化は, 変形効率, 流体-構造相互作用, 幾何学的製造性, バイオインスパイアされた軟魚尾を3次元水泳体に最適化するために必要な剛性をバランスさせる。
最適化されたテールトポロジーは、空気圧ネットワークアクチュエータに組み込まれ、様々な油圧負荷下で計算的に検証され、調整可能なゆらぎ振幅と深度調整のための多軸曲げを実現する。
最適化された2Dテールは長方形よりも優れています。
最適化された尾部セグメントをカスケードすることにより、異なる油圧荷重のソフトロボット魚の尾部におけるプログラム可能な水泳パターンを実証する。
この研究は水圧アクチュエータとソフト構造の体系的なコードサインを推進し、水中ロボットを最適化された設計で自動化し、水中に閉じ込められた環境下で脊椎動物のような俊敏性を提供する。
私たちの実装とシミュレーションは'https://github.com/PrabhatIn/TO-SoFiT'で公開されています。
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